JPH07214360A

JPH07214360A - レーザ加工

Info

Publication number: JPH07214360A
Application number: JP6011589A
Authority: JP
Inventors: Sadahiko Kimura; 定彦木村; Seiji Aoki; 誠二青木
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1994-02-03
Filing date: 1994-02-03
Publication date: 1995-08-15
Anticipated expiration: 2014-04-05
Also published as: JP2880061B2

Abstract

(57)【要約】【目的】リング状のエネルギ分布を有するレーザ光を
用いたレーザ加工技術に関し、加工品質に優れたレーザ
加工技術を提供する。【構成】光の進行方向に垂直な面内の光強度分布が中
空部分を含むリング状となるレーザビームを形成する工
程と、前記レーザビームを集光する工程と、光の進行方
向に垂直な面内の光強度分布が中空部分のない連続した
形状となる位置で、被加工物上に前記レーザビームを照
射して加工を行なう工程とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ加工技術に関
し、特にリング状のエネルギ分布を有するレーザ光を用
いたレーザ加工技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ光を用いると、高エネルギ密度の
スポットが形成でき、各種加工技術に利用することがで
きる。たとえば、金属板の切断、溶接等を行なうレーザ
加工技術が知られている。トレパニングヘッド等のレー
ザ照射具からレーザ光を加工対象物に照射し、切断、溶
接等の加工を行なう。

【０００３】ところで、このような一般的レーザ加工技
術によっては実行することが困難な溶接がある。そのひ
とつは、薄板の重ね合わせスポット溶接である。電子機
器等においては２枚の金属薄板を重ね合わせ、スポット
溶接をすることが望まれる。

【０００４】このスポット溶接には、高い溶接強度と溶
接後裏面に溶接痕が生じないことが要求される。溶接対
象物が薄板であるため、照射レーザ光のエネルギ密度を
高く設定し過ぎると、照射部の薄板が全厚さにわたって
溶融し、溶接痕が生じるのみでなく、穴があく場合もあ
る。また、照射レーザ光のエネルギ密度が低過ぎると、
溶接部の溶け込み深さが不足し、溶接強度が低くなる。
極端な場合には、溶接が全く行なわれない。

【０００５】一般的に、金属表面はレーザ光を反射する
性質を有する。しかし、反射率がいかに高くても、レー
ザ光の照射エネルギが十分高ければ、金属表面は溶融す
る。一旦溶融した金属表面は、反射率を急激に低下さ
せ、さらに大きくレーザ光を吸収する。

【０００６】薄板の重ね合わせスポット溶接の場合、照
射するレーザ光のエネルギ密度を適切に制御しないと、
望みの溶け込み深さを得ることは困難になる。溶接対象
物が薄板の場合、このレーザ光のエネルギレベルの制御
はより一層重要となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】レーザを用いた薄板の
重ね合わせスポット溶接において、高い溶接強度と溶接
部裏面に溶接痕が生じないことを同時に実現することは
容易ではない。

【０００８】本発明の目的は、加工品質に優れたレーザ
加工技術を提供することである。本発明の他の目的は、
溶け込み深さと形状の制御精度が高く、高い溶接強度と
優れた溶接部裏面形状を得ることのできるレーザ溶接方
法を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のレーザ加工方法
は、光の進行方向に垂直な面内の光強度分布が中空部分
を含むリング状となるレーザビームを形成する工程と、
前記レーザビームを集光する工程と、光の進行方向に垂
直な面内の光強度分布が中空部分のない連続した形状と
なる位置で、被加工物上に前記レーザビームを照射して
加工を行なう工程とを含む。

【００１０】

【作用】リング状の光強度分布を有するレーザビームを
集光すると、リングの形状は次第に小さくなり、やがて
中央のレーザ光が照射されない部分は消滅する。

【００１１】このように、リング状のモードを持つレー
ザビームを集光し、リング状のモードでなくなった状態
でレーザ加工を行なうことにより、高い加工精度を得る
ことができる。

【００１２】リング状のモードが中空部分が消滅したモ
ードに変化すると、レーザ光の光強度分布が比較的広い
面積にわたって平坦にできるためと考えられる。

【００１３】

【実施例】本発明の実施例の前に、なぜ従来の技術によ
ると薄板の重ね合わせスポット溶接が困難であったかを
考察する。

【００１４】図６（Ａ）は、レーザスポットにおける光
強度分布を概略的に示すグラフである。横軸にビームの
径方向位置Ｒをとり、縦軸に光強度Ｉをとる。光強度分
布は、図に示すようになる。

【００１５】ビーム強度が増大すると、半値幅はあまり
変化せず、光強度のピーク高さが増大する。したがっ
て、レーザスポットの中央部においては光強度の増減の
影響を大きく受けることになる。

【００１６】図６（Ｂ）は、薄板の重ね合わせ溶接にお
ける溶け込み形状を概略的に示す。薄板状の被加工物
５、７が重ね合わされ、その一部にレーザ光が照射され
てスポット溶接が行なわれたとする。溶け込み形状１１
は、適切なレーザエネルギが与えられた場合の溶け込み
形状を示す。この溶け込み形状の場合は、溶接強度が高
く、溶接痕は被加工物７表面には表れない。

【００１７】ところで、レーザビームの光強度が増大
し、被加工物５、７に与えられるエネルギが増大する
と、特にビーム中央部において温度上昇が高くなり、溶
け込み形状１２のように中央部では溶融部分が被加工物
７裏面に達してしまう。この状態になると、被加工物裏
面に溶接痕が生じる。

【００１８】図６（Ｃ）は、レーザビームの光強度が減
少した場合を示す。被加工物５、７に与えられるエネル
ギが減少するため、溶け込み形状１３は浅くなり、被加
工物５、７の境界における溶融面積は狭くなってしま
う。このため、図６（Ｃ）の場合には溶接強度が低下し
てしまう。

【００１９】図６（Ａ）に示す光強度分布は、レーザ光
を集光した場合にほぼ一般的に発生するものと考えられ
る。この光強度分布を用いてスポット溶接する場合、レ
ーザ出力の変動によって、図６（Ｂ）、（Ｃ）に示すよ
うな現象は避けがたいものとなる。

【００２０】本発明者らは、レーザビームスポットの中
央部における光強度を均一化すれば、レーザの出力変動
があっても溶け込み形状を比較的安定化できるであろう
と考えた。平坦な光強度分布を実現するため、リング状
のモードのレーザビームを用いる。ただし、リング状の
モードのレーザビームをリング状のモードとして用いる
のではなく、リング状のモードが消滅した状態で用い
る。

【００２１】図１は、本発明の実施例によるレーザ加工
方法を概略的に示す概念図である。図１（Ａ）は、レー
ザビームを用いて薄板の重ね合わせスポット溶接を行な
っている状態を概略的に示す。レーザビーム２は、ほぼ
平行な光束として与えられる。このレーザビーム２の中
央部にマスク３をおいてレーザビーム２の中央部分を遮
蔽する。マスク２よりも下流側では、レーザビームのエ
ネルギ分布は中空部分を有する中抜けのリング状とな
る。この状態をＰ１で示す。リング状のモードのレーザ
ビームを加工用レンズ４で集光する。リング状のモード
のレーザ光も、平行光束から形成されているため、レン
ズ４によって集光すればスポット状に集光する。

【００２２】レンズ４よりも下流側では、ビームの径は
次第に小さくなる。中央部分の径も次第に小さくなる。
ビーム径が縮小している中間段階をＰ２で示す。やが
て、ある程度ビーム径が縮小した段階で、リング状のモ
ードのレーザビームの光強度分布の内縁が互いに接し、
中抜け状態から中実の連続形状の状態に変化する。この
状態をＰ３で示す。

【００２３】リング状のモードのレーザビームを集光
し、中空部分が消滅した位置で被加工物５、７を重ね合
わせた加工対象物にレーザ光を照射する。図１（Ｂ
１）、（Ｂ２）、（Ｂ３）は、それぞれ位置Ｐ１、Ｐ
２、Ｐ３におけるレーザ光の面内分布を示す。図１（Ｂ
１）、（Ｂ２）においては、レーザ光の分布はリング状
領域８で示され、その中央部にはレーザ光が照射しない
中空領域９が存在する。

【００２４】図１（Ｂ３）の状態になると、中空領域９
が消滅し、レーザ光が連続的に照射した円状領域８ａが
発生する。図１（Ｃ１）、（Ｃ２）、（Ｃ３）は、それ
ぞれ位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３におけるレーザ光の光強度分
布を概略的に示す。図１（Ｃ１）、（Ｃ２）、（Ｃ３）
において、横軸にはそれぞれ図１（Ｂ１）、（Ｂ２）、
（Ｂ３）の横方向位置に対応したＸ座標をとり、縦軸に
光強度Ｉをとる。位置Ｐ１の状態においては、リング状
のモードに対応し、比較的幅の広いリング状の光強度分
布が発生している。

【００２５】位置Ｐ２においては、レーザ光がかなり集
光され、リングの径が縮小すると共に光強度Ｉは増大し
ている。なお、図においては、概略的に光強度を示して
いるため、ピークの高さは忠実ではない。実際上は光強
度はさらに増大している。

【００２６】集光作用が進み、位置Ｐ３よりも下流側に
おいては、もはやリング状のモードが存在せず、中実の
円状光強度分布となる。この状態においては、図１（Ｃ
３）に示すように連続した光強度分布が発生する。

【００２７】なお、リングの内縁が接し始めた状態にお
いては、リング状のモードの本来のピーク位置の光強度
の方が中央部の光強度よりも高く、中央部が凹んだ光強
度分布となる。

【００２８】集光状態が進むと、やがて中央部の光強度
分布はほぼ平坦となる。さらに、焦点位置よりも下側に
なると、中央部にほぼ平坦な光強度分布が表れ、やがて
中央部が凹み、リング状モードに復活する。

【００２９】図２は、リング状のモードのレーザビーム
が外観上円形モードとなっており、レンズにより集光さ
れた状態を概略的に示す。リング状のモードの光強度分
布は左側部分１０ａと右側部分１０ｂが合成され、結果
としてほぼ平坦な光強度分布１０ｃが発生している（集
光ビームスポット径は従来の径と同様である）。この状
態において、レーザ出力が増大したとすると、光強度分
布１０ａ、１０ｂのピークにおいて最も著しく表れる
が、合成された光強度分布１０ｃではそのレーザ出力の
増大による変化は少ない。

【００３０】なお、図２は直線状の断面でエネルギ強度
を示しているが、実際上は平面上のリング部分でこの現
象が生じている。図６（Ａ）に示す従来技術による中央
部の光強度分布はレーザ出力変化に伴い、光強度分布の
中央部が大きく増減するのに比べ、図２で示す光強度分
布は円状の光強度のピークの部分が増減し、合成された
光強度では増減レベルは少なくなる。

【００３１】図３は、レーザ出力のパルス波形を示す。
図３（Ａ）は通常のパルス発振を行なった場合のレーザ
出力のパルス波形を時間の関数として示す。パルスレー
ザが発振すると、その出力はパルスの立ち上がり部分に
おいて鋭く大きくなり、直ちに減衰してほぼ一定な値を
とる。設定パルス時間後、出力は急激に減少する。

【００３２】本発明者らは、図１、図２に示す修正リン
グ状のモードのレーザ光と図３（Ａ）に示すパルス波形
を用いて重ね合わせスポット溶接を行い、かなり良好な
結果を得た。

【００３３】さらに改良を行なうため、図３（Ｂ）に示
す波形のパルスを用いた。図３（Ｂ）のパルス波形にお
いては、出力が立ち上がると、ある値でまず安定化し、
やがてさらに出力を増大させ、再び高い出力で安定化す
る。このように時間制御したパルス波形を用いることに
より、重ね合わせスポット溶接においてさらに良好な結
果を得た。

【００３４】この結果は、室温から一気に溶融状態まで
昇温するよりも、予備的に加熱を行ない、被加工物の表
面温度の上昇および表面酸化物形成等により、レーザ吸
収率を上げ、その後さらに高温に加熱して溶融状態とす
る方が安定的にレーザビームが吸収され、安定な溶接結
果が得られることを表す。

【００３５】図４は、このような重ね合わせスポット溶
接において得られる溶け込み形状の代表的例を概略的に
示す。被加工物５、７が重ね合わされ、上面より修正リ
ング状モードのレーザ光を照射してスポット溶接を行な
う。

【００３６】照射するレーザ光は、ある円形面積におい
てほぼ均一なエネルギ強度を有するため、比較的広い領
域にわたって均一な溶け込みが形成され、底面が平坦で
広い溶け込み形状２０が得られる。被加工物５、７の境
界において溶け込み形状２０が広い面積を示すため、溶
接強度が強い。

【００３７】また、溶け込み形状２０の底部がほぼ平坦
なため、被加工物５、７の境界において広い面積を有し
ていても溶け込み形状２０は被加工物７裏面には達しな
い。したがって、被加工物７に溶接痕が生ずることがな
く、優れた外観を得ることができる。

【００３８】一例において、レーザとしてＹＡＧレーザ
を用い、厚さ０．１ｍｍの銅合金板と厚さ０．２ｍｍの
積層板を重ね合わせてスポット溶接を実施した。用いた
レーザはＮｄ：ＹＡＧレーザ装置であり、その出力は５
Ｗであった。また、パルスエネルギは２．７５Ｊ／パル
スであり、図３（Ｂ）に示すような２段階のパルス波形
を有するものであった。このスポット溶接によって得ら
れた溶接部の金属組織写真を図５に示す。

【００３９】レーザ光は上側から照射し、上側に厚さ
０．１ｍｍの銅合金板を配置した。下側には、厚さ０．
２ｍｍの積層板が配置されている。なお、写真には下側
の積層板は一部しか示されていない。溶け込み形状は厚
さ０．１ｍｍの銅合金板より下部に向かって広い面積で
突出しているが、その突出高さは０．０３ｍｍ以下であ
る。この溶接で高い溶接強度が得られた。また、裏面に
は溶接痕が認められなかった。

【００４０】なお、リング状のモードのレーザを形成す
るため、コヒーレントなレーザビームの中央部にマスク
を配置する場合を説明したが、リングモードレーザは他
の形態によって形成することもできる。たとえば、特開
昭６３−１６８９３号公報で開示されているようなリン
グモードレーザを用いてもよい。

【００４１】また、プリズム、ミラー、レンズ等の光学
部品を使用し、リング状のモードに変換してもよい。ま
た、スポット溶接を行なう場合に修正リング状のモード
のレーザビームを用いる場合を説明したが、このような
修正リング状のモードのレーザビームによる加工を他の
レーザ加工に適用することもできる。均一なレーザ光強
度でレーザ加工を行ないたい場合に上述の修正リング状
のモードのレーザは有効である。また、レーザはＹＡＧ
レーザに限らず、種々のレーザを用いることができる。

【００４２】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。

【００４３】

【発明の効果】広い面積で比較的均一なエネルギ分布が
得られるため、広い面積で均一なレーザ加工を行なうこ
とができる。

【００４４】スポット溶接の場合、溶け込み形状が平坦
化するため、薄板の重ね合わせスポット溶接も可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例によるレーザ加工方法を説明す
るための概略図である。

【図２】図１の実施例におけるレーザ出力の変動の影響
を示す概念図である。

【図３】パルスレーザ光のパルス波形を示すグラフであ
る。

【図４】重ね合わせスポット溶接における溶け込み形状
を示す断面図である。

【図５】薄板の重ね合わせ溶接を行なった試料断面の金
属組織を示す顕微鏡写真である。

【図６】従来の技術による重ね合わせスポット溶接を説
明するためのグラフおよび断面図である。

【符号の説明】

２レーザビーム３マスク４レンズ５、７被加工物８リング状領域９中空領域８ａ修正リング状領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光の進行方向に垂直な面内の光強度分布
が中空部分を含むリング状となるレーザビームを形成す
る工程と、前記レーザビームを集光する工程と、光の進行方向に垂直な面内の光強度分布が中空部分のな
い連続した形状となる位置で、被加工物上に前記レーザ
ビームを照射して加工を行なう工程とを含むレーザ加工
方法。
【請求項２】さらに、前記レーザビームの光強度の時
間変化がパルス状であり、かつパルス前半部よりパルス
後半部の方が光強度が高くなるように波形制御する工程
を含む請求項１記載のレーザ加工方法。
【請求項３】前記被加工物が重ね合わせ薄板であり、
前記加工がスポット溶接である請求項１記載のレーザ加
工方法。